CC BY
80
/¡Ff?
ШГ КШГЖЩ /оо
- 1 (45). 2008 / £U
ж Ш
ЕТАЛЛУРГИЯ
The construction of the arc steel-furnace bay, the application of which allows to increase the speed of flush outflow, to provide reduction of the slag carry-over with metal, is offered.
м. А. МУРИКОВ, РУП «БМЗ»,
Д. Н. АНДРИАНОВ, ГГТУим. П.О.Сухого,
В. Н. ПРОХОРЕНКО, В. М. НОС ОВЕЦ, РУП «БМЗ»,
И. В. ГРИНКЕВИЧ, ГГТУим. И О. Сухого УДК 621.74.043:669.715.021
ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ ДУГОВОЙ СТАЛЕПЛАВИЛЬНОЙ ПЕЧИ С КОНОИДАЛЬНЫМ ЭРКЕРНЫМ ВЫПУСКОМ СТАЛИ
До конца 70-х годов во всем мире дуговые сталеплавильные печи (ДСП) строили с обычным традиционным выпуском металла в ковш через желоб, что связано с наклоном печи во время слива на угол до 45°. В связи с развитием сверхвысокомощных печей и необходимостью сливать металл из печи без шлака, а также переходом на слив стали из печи в ковш, установленный на сталевозе, потребовалось изменить схему выпуска металла так, чтобы получать короткую компактную струю и оставлять шлак в печи. В настоящее время получили развитие донный, сифонный и эркерный выпуски металла [1].
Эркерный выпуск металла является наиболее прогрессивным, так как он имеет свои преимущества: простота обслуживания донного отверстия и возможность слива металла из печи без шлака.
Степень уноса шлака с металлом дополнительно определяется эффектом завихрения во время выпуска. В электропечах, выпускающих высококачественные стали, практикуют различные пути для устранения эффекта завихрения. Один из них — система выпуска Fast фирмы «Fuchs Systemtechnik», которая применяется при выплавке качественных сталей на заводе фирмы «Edelstahlwerke Buderus AG» [2]. Благодаря подобранному размеру прямоугольного выходного сечения в выпуске системы Fast эффекты завихрения предотвращаются.
Выпуск металла из ДСП происходит следующим образом: сталь проходит через стакан, а затем попадает во внешнюю среду. Поток жидкости, не ограниченный стенками и движущийся после выхода из насадки в воздушном пространстве, называется свободной струей. Перемешиваясь в процессе движения поверхностными слоями с воздухом, струя на определенном расстоянии от ковша теряет устойчивость и разрушается.
Поскольку протяженность устойчивого участка струи зависит от процессов, протекающих в насадке, рассмотрим их более подробно.
При входе потока в стакан происходит искривление линий тока и появление центробежных сил, отрывающих струю от внутренней поверхности насадки. Сжатие струи продолжается внутри стакана до определенной глубины, после чего поток снова расширяется, заполняя все поперечное сечение. Отрыв потока от стенок канала и связанное с ним вихреобразование создают в стакане зону пониженного статического давления и являются основной причиной увеличения сопротивления движению жидкости в струе, а также захвата струей воздуха.
Анализ истечения вертикальных струй показывает [3], что разливочные стаканы должны обеспечивать:
• истечение струи со стабильной скоростью истечения и постоянным расходом, чему удовлетворяют стаканы цилиндрической формы с большими радиусами закругления входной кромки;
• уменьшение турбулизации струи, для чего необходимо иметь минимальную высоту цилиндрической части стакана, определяемую стойкостью его при взаимодействии с жидкой сталью;
• получение максимальной скорости истечения и максимального расхода при заданных диаметре выходного сечения и напоре, для чего необходимо выходную часть стакана выполнять в форме диффузора с углом раскрытия не более 6° на сторону [4];
• уменьшение выходной скорости струи и силы удара струи о сталь-ковш, для чего в нижней части стакана необходимо сделать цилиндрическую полость большего сечения, чем подводящее отверстие насадки, а переходную часть — с оптимальным углом наклона 7-9° [4].
М/ ГШ^ГАГШГШШ
I 1 (45). 2008 -
В реальных условиях слива стали струя жидкого металла вследствие сопротивления воздуха, действия силы тяжести и внутренних сил, вызываемых вихревым и волновым характером движущейся жидкости, может деформироваться и даже распадаться [5-8]. При этом в струе могут образоваться три участка: сплошной участок устойчивого состояния струи; вибрирующий участок, в котором появляются нарушения сплошности; разорванный участок, в котором струя распадается на капли.
Состояние струи при разливке влияет на захват воздуха, вторичное окисление стали, содержание неметаллических включений, характер распределения затопленной струи в металле сталь-ковша. Известно, что при ламинарном потоке окисление жидкого металла значительно меньше, чем при турбулентном истечении струи из печи.
Изучение процесса разливки стали на гидравлической модели [6] показало, что при входе в сталь-ковш разорванного участка струи пузырьки воздуха, захваченные струей, резко гасят осевую скорость по мере удаления от уровня воды в модели. Всплывающие пузырьки создают вокруг струи интенсивные входящие потоки, которые, в свою очередь, создают циркуляционные потоки, идущие вниз вдоль стен сталь-ковша.
Снижение осевой скорости струи в этом случае происходит гораздо интенсивнее, чем при распространении свободной струи, а зона интенсивной циркуляции проникает в жидкость на глубину не более 25—30 диаметров струи.
Форма стакана влияет на два основных параметра истечения жидкой стали: турбулентность струи и количество захватываемого воздуха, зависящих от геометрической формы и качества поверхности канала.
Исследованиями было доказано, что увеличение высоты цилиндрической части стакана и уменьшение радиуса его входной кромки не только увеличивают турбулентность струи и количество захватываемого воздуха, но способствуют также более интенсивному разбрызгиванию жидкости на стенки сталь-ковша. Отрицательное влияние большой высоты цилиндрической части стакана связано с образованием и развитием гидродинамического пограничного слоя, толщина которого при увеличении длины стакана увеличивается. При этих условиях на поверхности струи, а затем в объеме жидкости, находящейся в сталь-ковше, развиваются торообразные вихри, которые приводят к увеличению турбулизации струи и объема захватываемого воздуха.
Угловая скорость на поверхности вихря, где он соприкасается с потоком, равна скорости потока, а у оси вихря достигает максимума. По оси вихря возникает отрицательное статическое давление, в несколько раз меньшее, чем в движущейся струе.
Исследования процессов формирования кольцевых вихрей привели к выводу о том, что рассечение торообразного вихря на части в поверхностном слое струи способствует исчезновению кольцевых вихрей и получению более жесткой струи. Применение этого принципа конструирования привело к созданию разливочного стакана со специальными ребрами на внутренней его поверхности (рис. 1). Такой стакан обеспечивает получение более жесткой струи и снижение ее угла расходимости в атмосферной и затопленной части
[4].
Рис. 1. Сечение канала стакана для уменьшения турбулизации струи
Второй проблемой получения качественной стали является предупреждение захвата покровного шлака дуговой сталеплавильной печи при сливе металла. В процессе выпуска металла на определенной высоте его уровня в печи формируется вихревая воронка, в которую интенсивно втягиваются частицы шлака и все имеющиеся нерастворимые частицы и примеси в стали [9]. Возникновение воронкообразной полости вращающегося металла связано с процессами вихреоб-разования при пересечении горизонтальных скоростей перемещения металла вдоль днища эркера и вертикальной скорости истечения.
Было проведено исследование зависимости критической высоты формирования вихря от размеров ковша, выпускного стакана, его местоположения, высоты уровня металла и других параметров разливки [10]. Изучение условий возникновения этого вихря привело исследователей к заключению, что по мере опускания уровня металла в ковше тангенциальная скорость вблизи стакана быстро нарастает и при достижении критического значения на открытой поверхности возникает открытая лунка. Высота появления вихревой воронки увеличивается с уменьшением диаметра разливочного стакана, не зависит от изменения диаметра ковша и слегка повышается при увеличении длины стакана А.
Недостатки существующей конструкции штатного эркера, используемого на РУП «БМЗ», заключаются в том, что:
• этот выпуск не обеспечивает полную отсечку шлака при сливе металла;
• выпуск имеет острую входную кромку (рис. 2), которая снижает коэффициент расхода и скорость истечения струи, а также создает турбулентный поток, который приводит к неравномерному износу эркерного отверстия;
• движение металла при сливе принимает (вихреобразную) спиралеобразную форму, что увеличивает протяженность движения молекул металла по каналу эркера и вследствие чего увеличивает время слива и износ эркера;
• при турбулентном потоке истечения и вих-реобразования металла изменяется в большую сторону площадь поперечного сечения струи по мере удаления ее от эркера, что приводит к потерям тепла при сливе и увеличению площади контакта с атмосферой (рис. 2).
Рис. 2. Верхняя труба штатного эркера с острой входной кромкой
Опытное устройство для слива металла дуговой сталеплавильной печи, рассмотренное в данной работе, содержит коноидальное, прямоугольно-овальное сечение выпускного отверстия, которое предотвратит завихрения металла во время выпуска и за счет коноидальности увеличит коэффициент расхода и скорости истечения струи (рис. 3).
Система эксцентричного донного выпуска коноидального, прямоугольно-овального сечения выпускного отверстия обеспечивает значительное
Были испытаны четыре опытных комплекта эркера, два на ДСП-2 и два на ДСП-3. Для определения падения температуры во время выпуска был выбран массив из 11 плавок стали марки СтЗсп, на которых испытывали опытный комплект эркера (табл. 2).
Рис. 3. Верхняя трубка опытного эркера
уменьшение уноса шлака с металлом. При обычном режиме работы с жидким шлаком такая конструкция является весьма надежной, поскольку контролировать следует только конечный шлак по скорости наклонения печи.
Работу проводили в электросталеплавильных цехах №1 и 2 (ЭСПЦ-1,2) РУП «БМЗ» при выплавке стали на всем выпускаемом сортаменте.
При этом во время эксплуатации ДСП-2,3 с футеровкой канала эркерного выпуска, выполненной из опытных изделий, контролировали и фиксировали следующие технологические параметры: продолжительность выпуска металла из ДСП; падение температуры металла за время выпуска.
Для создания сравнительной базы по окончании эксплуатации опытной футеровки канала эркерного выпуска производили сбор данных аналогичных технологических параметров выпуска металла из ДСП при эксплуатации футеровки канала эркерного выпуска, выполненной из штатных огнеупорных изделий.
Футеровка опытного канала состоит из втулки, четырех средних трубок и одной верхней коно-идальной трубки.
Физико-химические свойства опытного и штатного огнеупорных изделий приведены в табл. 1.
В качестве сравнительных выбран массив из И плавок стали марки СтЗсп, выплавленных при использовании штатного эркера (табл. 3).
Как видно из табл. 2, 3, на опытном эркере прослеживается снижение потерь температуры в связи с уменьшением площади контакта струи с атмосферой.
Таблица 1. Физико-химические свойства опытного и штатного изделий
Изделие Химический состав, % Физические свойства
MgO С открытая пористость, % плотность, г/см3 механическая прочность, Н/мм2
Опытный эркерный выпуск >76 > 14 <4 >3 >35
Штатный эркерный выпуск >93 10-15 <8 >2,8 >35
Oß / Л ГГТТга [f (ГХШ№гггсгт
Ля U / 1 (45). 2008 -
Таблица 2. Падение температуры во время выпуска на опытным эркере
Номер плавки Температура выпуска, °С Температура в сталь-ковше, °С Разность температур, °С
22172 1696 1661 35
22230 1634 1549 85
22232 1655 1627 28
22233 1654 1579 75
22234 1712 1676 36
22255 1702 1622 80
22257 1709 1655 54
22258 1687 1654 33
22275 1588 1545 43
22280 1697 1624 73
22316 1683 1634 49
Среднее значение 53,7
Таблица 3. Падение температуры во время выпуска на штатном эркере
Номер плавки Температура выпуска, °С Температура в сталь-ковше, °С Разность температур, °С
22456 1692 1650 42
22458 1641 1547 94
22459 1634 1529 105
22460 1663 1570 93
22461 1611 1519 92
22463 1638 1583 55
22464 1633 1585 48
22465 1686 1637 49
22466 1697 1653 44
22467 1622 1576 46
22468 1648 1594 54
Среднее значение 65,6
При эксплуатации просматривается равномерность износа эркера, коноидальность сечения сохранялась на протяжении всей работы эркера (рис. 4, 5). Средняя стойкость плавок с опытным эркером составила 135 плавок, средняя стойкость штатного эркера за 2006 г. - 104 плавки.
Для определения времени слива во время выпуска для опытного и штатного эркера был
выбран массив из 16 плавок с приблизительно одинаковым, средним отработанным количеством плавок эркера, массой плавки и температурой слива металла (табл. 4, 5).
Как видно из таблиц, на опытном эркере прослеживается снижение среднего времени слива металла в связи с коноидальным, прямоугольно-овальным сечением выпускного отверстия.
В результате проведения исследования было установлено, что при использовании опытного эркера уменьшились потери температуры при
Рис. 4. Состояние нижней катушки после 148 плавок
Рис. 5. Эркер, вид сверху после 136 плавок
_ШГтг>(ШМгШП 197
- 1 (45). 2008 I Ы
Таблица 4. Продолжительность времени слива металла на опытном эркере
Дата Номер плавки Кол-во плавок эркера Масса плавки Температура выпуска, °С Чистое время выпуска металла, мин
20.04.07 22172 3 110 1696 4,00
25.04.07 32072 7 104 1609 3,40
25.04.07 32073 8 110 1604 4,00
26.04.07 32093 28 105 1623 3,17
26.04.07 32099 34 108 1599 3,40
27.04.07 32120 55 108 1604 3,15
03.05.07 32241 58 114 1618 3,38
23.04.07 22230 61 118 1634 3,40
Среднее значение 32 109,6 1623 3,60
Таблица 5. Продолжительность времени слива металла на штатном эркере
Дата Номер плавки Кол-во плавок эркера Масса плавки Температура выпуска, °С Чистое время выпуска металла, мин
20.04.07 31989 1 116 1550 6,00
23.04.07 32045 57 110 1626 3,50
23.04.07 32047 59 114 1625 3,20
23.04.07 32048 60 114 1712 3,00
24.07.07 33848 21 107 1620 3,42
24.07.07 33849 22 107 1634 3,49
24.07.07 33850 23 113 1644 3,58
24.07.07 33851 24 108 1657 4,36
Среднее значение 33 111 1646 4,00
сливе на 12 °С, средняя стойкость четырех комплектов опытных изделий канала эркерного выпуска составила 135,5 плавки, увеличение площади канала происходит в среднем на 0,7—0,8% за плавку и время слива металла снизилось на 24 с.
Литература
1. Никольский JI.E., Зинуров И.Ю. Оборудование и проектирование электросталеплавильных цехов. М.: Металлургия, 1993. С. 49-51.
2. Лопухов Г.А. Эффективные технологии электросталеплавильного производства // Новости черной металлургии за рубежом. 1997. №3.
3. Биркгоф Г., СарантонеллоЭ. Струи, следы и каверны. М.: Мир, 1964.
4. Ефимов Б.А., Эльдарханов A.C. Технологии современной металлургии. М.: Новые технологии, 2004. С. 22-65.
5. Ричардсон Э. Динамика реальных жидкостей. М.: Мир, 1965.
6. Яковлев Ю.Н. Гидравлическое моделирование наполнения изложниц спокойной сталью // Сб. науч. тр. Днепропетровского металлургического ин-та. Вып. XXXVII. Днепропетровск: Изд-во ДМИ, 1958. С. 174-184.
7. Лепицкий В.И., Яковлев Ю.Н. О влиянии условий подвода металла на качество поверхностных слоев слитков, отлитых в сквозные изложницы сифоном // Сб. науч. тр. Днепропетровского металлургического ин-та. Вып. XXXVII. Днепропетровск: Изд-во ДМИ, 1958. С. 10-17.
8. Лепицкий В.И. Теория и практика металлургии. 1939. № 4-5. С. 48-50.
9. Bommarajy R., Trump D., Chaubal P., Moore D. Ladle slag treatment for production of ultra-low steels, Steelmaking conference proceedings. 1993. P. 457-461.
10. Ramani Sankaranarayanan, Roderick I.L. Guthrie Laboratory Study of slag entrainment during the emptying of metallurgical vessels. Steelmaking conference proceedings. 1992. P. 655-663.
